Measurement of diffusion and activity coefficients in slags

Titel in Übersetzung: Messung von Diffusions- und Aktivitätskoeffizienten in Schlacken

Alexander Halwax

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Bei der Eisen- und Stahlherstellung sowie bei sekundär metallurgischen Behandlungen spielen Schlacken eine wichtige Rolle. Die Schlackeneigenschaften, wie z.B. Viskosität, Dichte, Liquidustemperatur, Oxidationspotential, Schäumungsverhalten etc., haben einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz metallurgischer Prozesse. Diese Eigenschaften werden weitgehend von der Schlackenzusammensetzung bestimmt. Die Schlackenzusammensetzung wird bei allen metallurgischen Prozessen durch die Zugabe von Additiven eingestellt. Dabei handelt es sich meist um CaO- und/oder MgO-haltige Zuschlagstoffe. Um Auflösungsprozesse von Additiven in Schlacken beschreiben und somit bestehende Prozesse optimieren oder neuartige entwickeln zu können, ist das Wissen über Diffusionskoeffizienten des jeweiligen Oxids in Schlacken notwendig. Des Weiteren ist die Kenntnis thermodynamischer Aktivitäten einzelner Schlackenkomponenten von großer Bedeutung, um metallurgische Vorgänge zu verstehen und optimieren zu können. So führt eine niedrige Aktivität der zu extrahierenden Spezies (z.B. P oder S) in der Schlacke zu einer effizienten Entfernung dieser Komponenten aus dem Stahl. Die Aufnahmefähigkeit von Schlacken für unerwünschte Stahlbegleitelemente wird wiederum durch die Zusammensetzung der Schlacke beeinflusst. Die Ermittlung dieser beiden Parameter (Diffusionskoeffizient und Aktivität) in Schlacken war Ziel dieser Arbeit. Für die Bestimmung von Diffusionskoeffizienten in Schlacken wurde ein experimenteller Aufbau konstruiert, welcher es ermöglicht, Auflösungsversuche unter reproduzierbaren Bedingungen durchzuführen. Zusätzlich zur Konstruktion des Versuchsaufbaus wurde ein Berechnungsmodell aufgesetzt, welches es ermöglicht, aus den Daten der Auflösungsersuche den Diffusionskoeffizienten zu berechnen. In diesem Modell sind ein Dichtemodell und fünf unterschiedliche Viskositätsmodelle enthalten. Da jedes Viskositätsmodell für einen gewissen Temperatur- und Zusammensetzungsbereich gültig ist, war es notwendig, mehrere Modelle zu verwenden, um unterschiedliche Schlacken zu untersuchen. Neben der Konstruktion des Versuchsaufbaus und der Entwicklung eines geeigneten Berechnungsmodells, musste eine Vorrichtung sowie Vorgehensweise zur CaO-Probenherstellung geplant werden. Mittels diverser Auflösungsversuche wurden die Diffusionskoeffizienten von CaO und MgO in einer Hochofen-, Calcium-Aluminat- und Wollastonitschlacke bei 1500 und 1600 °C sowie in einer LD-Schlacke bei 1400 und 1500 °C bestimmt. Des Weiteren wurden die Diffusionskoeffizienten bzw. Auflösungsraten von Al2O3, SiO2 und MgAl2O4 in einer Pfannenofenschlacke bei 1550 °C gemessen. Die Ergebnisse und der Vergleich mit Literaturwerten zeigten Im Allgemeinen eine Abnahme des Diffusionskoeffizienten mit zunehmender Schlackenviskosität. Zudem konnte die Eignung des Versuchsaufbaus sowie des Berechnungsmodells durch den Vergleich mit Literaturwerten bestätigt werden. Es wurde nach einem Verfahren gesucht, welches die Bestimmung von Aktivitäten einzelner Schlackenkomponenten ohne die Notwendigkeit von Literaturdaten ermöglicht. Eine solche Vorgehensweise konnte mittels der Knudsen Effusion Massenspektrometrie (KEMS) realisiert werden. Die KEMS-Untersuchungen wurden im Forschungszentrum Jülich durchgeführt. Da dieses Verfahren auf dem metallurgischen Forschungssektor nur selten eingesetzt wurde, konnte mit den Experimenten, im Zuge dieser Arbeit, ein Grundstein für weitere Forschungen gelegt werden. Die KEMS-Messungen ermöglichten neben den Aktivitätsbestimmungen von CaO und MgO in diversen Schlacken auch die Ermittlung der Bildungsenthalpien beider Oxide. Der Vergleich der Messungen mit Literaturwerten bestätigte die Eignung dieser Methode für Aktivitätsbestimmungen von Schlackenkomponenten.
Titel in ÜbersetzungMessung von Diffusions- und Aktivitätskoeffizienten in Schlacken
OriginalspracheEnglisch
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Harmuth, Harald, Mitbetreuer (intern)
  • Schenk, Johannes, Betreuer (intern)
  • Müller, Michael, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Michelic, Susanne Katharina, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 1800

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Metallurgische Schlacken
  • Auflösung
  • Diffusion
  • KEMS
  • Aktivität
  • Calciumoxid
  • Magnesiumoxid

Dieses zitieren